許 多 苗 苗 劉馬俊 崔永珠 呂麗華 魏春艷

大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034

2016-12-28

2017-01-06

許多，女，1992年生，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘烊焕w維的開(kāi)發(fā)和綜合利用

魏春艷，E-mail：weicy@dlpu.edu.cn

彈性體對(duì)棉稈纖維/PLA復(fù)合材料的增韌研究

許 多 苗 苗 劉馬俊 崔永珠 呂麗華 魏春艷

大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院， 遼寧 大連 116034

以棉稈纖維為增強(qiáng)材料、聚乳酸(PLA)為基體材料及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚氨酯熱塑性彈性體(TPU)和聚烯烴彈性體(POE)分別為增韌劑，通過(guò)熔融共混的方式制備棉稈纖維/PLA復(fù)合材料，然后測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能，并觀察其斷裂形貌，探討彈性體對(duì)棉稈纖維/PLA復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，POE的增韌效果優(yōu)于TPU，當(dāng)POE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，棉稈纖維/PLA復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到0.77J/cm2、彎曲強(qiáng)度達(dá)到114.729MPa，分別比未添加彈性體時(shí)提高250.00%、 95.88%。

彈性體， 棉稈纖維，PLA， 復(fù)合材料， 增韌， 沖擊強(qiáng)度， 彎曲強(qiáng)度

聚乳酸(PLA)是一種資源可再生、具有良好生物相容性的綠色高分子材料，但它的柔軟性和抗沖擊性差，硬而脆，斷裂伸長(zhǎng)率僅5%，這限制了其應(yīng)用[4]。因此，需要在PLA中加入彈性體進(jìn)行增韌改性，改善其韌性和抗沖擊性。近年來(lái)，已經(jīng)有較多的研究者[5-8]采用共混方式加入彈性體，提高纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的沖擊性能。結(jié)果表明，加入彈性體后，纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的共混體系發(fā)生脆韌轉(zhuǎn)變，彈性體的結(jié)構(gòu)對(duì)共混體系的微觀形態(tài)和沖擊性能有較大的影響，綜合地提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

本文以棉稈纖維為增強(qiáng)材料、PLA為基體材料進(jìn)行復(fù)合，并采用熔融共混的方式加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚氨酯熱塑性彈性體(TPU)或聚烯烴彈性體(POE)，得到棉稈纖維/PLA復(fù)合材料試樣(以下簡(jiǎn)稱“試樣”)，然后測(cè)試其力學(xué)性能，并觀察其斷裂形貌。

1 試驗(yàn)

1.1材料與儀器

1.1.1 材料

棉桿，山東單縣；PLA，深圳光華偉業(yè)實(shí)業(yè)有限公司；乙醇，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；TPU、 POE，東莞市樟木頭樂(lè)華塑膠原料商行。

1.1.2 儀器

SJK-160A小型開(kāi)放式混煉機(jī)，武漢怡揚(yáng)塑料機(jī)械有限公司；ZHY-W型萬(wàn)能制樣機(jī)，承德建德檢測(cè)儀器有限公司；HPC-0.63型0.63MN(或HPC-100型1.00MN)半自動(dòng)壓力成型機(jī)，無(wú)錫市中凱橡膠機(jī)械有限公司；TH-8120S伺服電腦式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，蘇州拓博機(jī)械設(shè)備有限公司。

1.2試驗(yàn)方法

在對(duì)照組西醫(yī)治療方案的基礎(chǔ)上，再予大八風(fēng)湯加減治療，藥物組成：黨參15 g，黃芪30 g，茯神15 g，紫苑12 g，當(dāng)歸20 g，川芎12 g，赤芍15 g，獨(dú)活10 g，秦艽10 g，五味子6 g，地龍10 g，陳皮9 g，炙甘草10 g。1劑/d，水煎取汁300 mL，分早晚2次口服。治療4周為1個(gè)療程，共1個(gè)療程。

1.2.1 棉稈纖維制備

將棉稈去皮、打粉，粉碎后的棉稈粉過(guò)40目篩，脫膠備用。棉稈纖維脫膠工藝流程：棉稈粉→預(yù)氧處理→水洗→高溫脫膠→熱水洗(80 ℃左右)→冷水洗→烘干(80 ℃)→分散。

1.2.2 復(fù)合材料試樣制備

共混前，將棉稈纖維、PLA、 TPU、 POE于80 ℃真空烘箱中干燥120 min，其中各物料配比見(jiàn)表1。共混時(shí)，先將彈性體(TPU或POE)放在170 ℃、轉(zhuǎn)速為60 r/min的混煉機(jī)中，混煉5 min后加入PLA，混合均勻后再加入棉稈纖維共混，10 min后取出共混物；然后，將共混物在HPC-0.63型0.63MN(或HPC-100型1.00MN)半自動(dòng)壓力成型機(jī)上模壓成型，熱壓壓力10 MPa、熱壓溫度170 ℃、熱壓時(shí)間5 min， 再冷壓15 min；最后，利用ZHY-W型萬(wàn)能制樣機(jī)裁成標(biāo)準(zhǔn)試樣，并采用TH-8120S伺服電腦式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

表1 復(fù)合工藝參數(shù)

1.2.3 測(cè)試及表征

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》、GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，對(duì)試樣進(jìn)行沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度測(cè)試。

斷裂形貌觀察：試樣經(jīng)液氮冷凍脆斷后，對(duì)斷裂面進(jìn)行噴金處理，并利用SEM觀察斷裂形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1彈性體對(duì)試樣力學(xué)性能的影響

圖1 試樣沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.1.1 彈性體對(duì)試樣沖擊強(qiáng)度的影響

由圖1可知，2種彈性體(POE或TPU)的加入都使得試樣的沖擊強(qiáng)度明顯提高，表明TPU和POE對(duì)棉稈纖維/PLA復(fù)合材料都有增韌作用。這是由于彈性體具有很好的韌性，當(dāng)試樣受到外力沖擊時(shí)，彈性體會(huì)先于其周圍的基體發(fā)生變形，并吸收一定的沖擊能量，提高了試樣的韌性。隨著彈性體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐步增加，試樣的沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)；當(dāng)彈性體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%之后，試樣的沖擊強(qiáng)度均開(kāi)始下降，這可能是共混體系由脆性向韌性轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致的。由圖1還可以看出，加入POE的試樣的沖擊強(qiáng)度比加入TPU的試樣高；當(dāng)POE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，試樣的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值(0.77 J/cm2)，比未添加彈性體的試樣(其沖擊強(qiáng)度為0.22 J/cm2)提高了250%。

2.1.2 彈性體對(duì)試樣彎曲強(qiáng)度的影響

如圖2所示，隨著彈性體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐步增加，試樣的彎曲強(qiáng)度也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。加入彈性體的試樣的彎曲強(qiáng)度都達(dá)到了80.000 MPa以上，這表明2種彈性體都是棉稈纖維/PLA復(fù)合材料的有效增韌劑。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈性體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時(shí)，試樣的彎曲強(qiáng)度均達(dá)到最大值，加入TPU的試樣的彎曲強(qiáng)度為110.050 MPa，比未添加彈性體的試樣(其彎曲強(qiáng)度為58.571 MPa)提高了87.89%；而加入POE的試樣的彎曲強(qiáng)度為114.729 MPa，比未添加彈性體的試樣提高了95.88%，這說(shuō)明POE的增韌效果優(yōu)于TPU。POE結(jié)構(gòu)中的辛烯長(zhǎng)鏈易與PLA分子鏈纏結(jié)，加大了兩相(即增強(qiáng)體和基體)的結(jié)合力，并降低了界面張力，還減少了橡膠相(即彈性體)的聚集，使得基體中的分散相(即棉稈纖維)粒徑較小且粒徑分布較窄，因此它對(duì)棉稈纖維/PLA復(fù)合材料的增韌效果很好[9]。

圖2 試樣彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.2彈性體對(duì)試樣斷裂形貌的影響

圖3所示為未添加彈性體及添加8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的POE和TPU的3種試樣的斷裂形貌觀察結(jié)果。如圖3(a)所示，未添加彈性體的試樣斷面比較平滑，還有大量裸露的PLA粒子，是典型的脆性斷裂。如圖3(b)所示，在添加8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的POE的試樣斷面上，可以清楚地看到分散相顆粒明顯、粒徑均勻，兩相之間界面模糊，說(shuō)明界面結(jié)合作用增強(qiáng)，且試樣斷面上有大量的纖絲，是典型的韌性斷裂。如圖3(c)所示，在添加8%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的TPU的試樣斷面上，可以看到TPU呈球狀分布，形成海島結(jié)構(gòu)，整個(gè)共混體系具有成為連續(xù)結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)；雖然TPU粒子分布均勻，但粒徑過(guò)小，無(wú)法控制銀紋的發(fā)展，也不能終止銀紋而避免其發(fā)展為破壞性的裂紋[10]，因此它對(duì)棉稈纖維/PLA復(fù)合材料的增韌效果較POE差。

圖3 3種試樣的斷裂形貌比較

3 結(jié)論

(1) 隨著彈性體(TPU和POE)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，棉稈纖維/PLA復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都呈先上升后下降的趨勢(shì)，這可能是共混體系由脆性向韌性轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的。

(2) 彈性體TPU和POE都是棉稈纖維/PLA復(fù)合材料的有效增韌劑，POE的增韌效果優(yōu)于TPU。

(3) 彈性體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，棉稈纖維/PLA復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均達(dá)到最大值。當(dāng)POE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，棉稈纖維/PLA復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為0.77 J/cm2，比未添加彈性體時(shí)提高了250.00%；彎曲強(qiáng)度為114.729 MPa，比未添加彈性體時(shí)提高了95.88%。

(4) 由SEM觀察發(fā)現(xiàn)，棉稈纖維/PLA復(fù)合材料的斷裂形貌與其力學(xué)性能密切相關(guān)。

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Study on toughening of cotton stalk fiber/PLA composites with elastomer

XuDuo，MiaoMiao，LiuMajun，CuiYongzhu，LvLihua，WeiChunyan

School of Textile and Material Engineering， Dalian Polytechnic University， Dalian 116034， China

Cotton stalk fibers were taken as the reinforing material, PLA was taken as the matrix， and thermoplastic polyurethane elastomer (TPU) and polyolefin elastomer (POE) of different mass fraction were taken as the toughening agent respectively， to prepare cotton stalk fiber/PLA composites through the melt blending method. Then the mechanical properties of the composites were tested， and the fracture morphology of the composites was observed， to explore the effect of elastomers on the mechanical properties of the cotton stalk fiber/PLA composites. The results showed that the toughening effect of POE was better than that of TPU， when the mass fraction of POE was at 8%， the impact strength of the cotton stalk fiber/PLA composite reached 0.77 J/cm2and the flexural strength reached 114.729 MPa， respectively increased by 250.00% and 95.88% compared with that of the cotton stalk fiber/PLA composite without elastomer.

elastomer， cotton stalk fiber， PLA， composite， toughening， impact strength， flexural strength

TQ314.24

B

1004-7093(2017)08-0018-03